如何漫游宇宙大爆炸

【地方土特产： 夸克汤】 没有品尝过当地美食，你怎么可能对度假目的地有真正的了解呢？地方土特产可以让你体验到纯正的异域文化的味道，因为它是由“风土”的特色成分汇编而成的。 极早期宇宙（一直到大爆炸后大约 10-10 秒）的招牌菜是一种被称为“夸克汤”（只不过以前你接触过的文章可能直译为“夸克—胶子等离子体”）的美味。 完美的液体 夸克汤是一种由自由的夸克和胶子组成的超致密、超高温的物质，它们被粉碎成一种完美的液体，并由诸如暗物质（dark matter）和正电子等奇异粒子进行调味。 夸克是一种基本粒子，也是构成普通物质的zui小单元。夸克之间通过一种叫作胶子的粒子牢牢结合在一起，三个夸克可以构成一个质子或一个中子（它们是构成原子核的亚原子粒子）。虽然早期宇宙的直径不到几千米，但它的温度是如此之高（超过1016K），以至于质子和中子都无法形成，因为巨大的能量随时会将它们粉碎。物质以夸克汤的形式存在，且物质可以转化成能量（以光子的形式），能量也可以转化成物质，这是一个动态的转化过程。 通常物理学家将等离子体描述成一种气体，但是在粒子对撞机实验中，重金属离子以接近光速的速度相撞，结果表明夸克—胶子等离子体就像一种“完美的液体”，这就是“夸克汤”这个名字的灵感来源。 【暗能量和暗物质】 早期宇宙中zui普遍存在的产物可能也是人们所知zui少、zui难发现的。到目前为止，你所能看到的物质和能量只占整个宇宙物质和能量总量的5%。 宇宙微波辐射和新诞生的星系，夸克—胶子等离子体和电子—正电子湮灭：所有这些壮观的现象都只是宇宙极小的一部分。其余部分是看不见的，也无法探测到：那么我们是怎么知道它们就在那里的呢？ 缺失的拼板 引力是宇宙伟大的组织原则，它主宰着恒星系统、星系和星系团的运动和形式。 然而，当天文学家观测我们的星系和其他星系时，发现有些事情是讲不通的。处于旋涡星系外侧的恒星，本来应该比处于中心位置的恒星的移动速度更慢，但根据我们对可见物质的观测，实际上它们的移动速度差不多是一样的。 这就意味着星系的外围一定存在大量的物质，就像是光晕一样围绕着星系。但不论是什么物质，它似乎不与电磁力或者普通物质［物理学家称之为重子物质（baryonic matter）］发生相互作用，因此天文学家无法探测到它们——这就是“暗物质”这个名字的由来。同样地，星系团的运动形式也只能用存在一些可以对其施加引力影响的不可见物质来解释。 大进击 哈勃对遥远星系红移效应的观测揭示了宇宙正在膨胀，并由此引出了宇宙暴胀理论。引力的影响应该会使膨胀速度变慢，但令天文学家惊讶的是，宇宙实际上正在加速膨胀。 一定有某种神秘的力量在给宇宙膨胀加速，而且这种力量似乎正在变得越来越强。有一种假说认为，宇宙真空中的量子涨落产生了一种排斥力，但由于没有人知道它是什么，科学家们就把它称之为“暗能量（dark energy）”。 也许这些黑暗的东西zui不寻常的特征就是它们的数量。为了解释星系的旋转速度和宇宙的加速膨胀，我们估计宇宙中大约68%是暗能量，27%是暗物质，只有5%是我们可以观测和了解的东西。 【乔治·勒梅特】 **个提出大爆炸理论的人是比利时神父、物理学家乔治·勒梅特（1894—1966）。他参加了**次世界大战，并被授予比利时英勇十字勋章。战争结束后，勒梅特决定先学习数学，再学习神学以担任神职工作。他在1923年被授予了圣职后去了英国，师从物理学家和天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington，1882—1944）。在美国待了一段时间后，他又回到了比利时，在天主教鲁汶大学任职。 1927年，他在研究了爱因斯坦场方程后，独立于亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann，1888—1925），发现了一组指向宇宙膨胀的解，与埃德温·哈勃报告的观测结果相吻合；他甚至对后来被称为哈勃常数的东西给出了**个定义和估计值。勒梅特在一份名不见经传的比利时学术期刊上以法语发表了一篇论文：《将银河系外星云的径向速度考虑在内，均质的宇宙质量不变，半径不断增加》。这篇论文在当时并没有引起多少注意，然而论文的结论意义非凡：宇宙的膨胀意味着空间和时间是存在起点的。当时能认识到勒梅特的工作的重要性的人寥寥无几，这其中就包括爱因斯坦本人。据说，爱因斯坦曾在1927年告诉这位比利时神父：“你的数学计算无懈可击，但是物理学方面的观点真是糟透了。” 1931年，勒梅特发表了论文的英文版，在这之后他的理论变得广为人知。在英文版论文中，他提出宇宙起源于一个“原初超级原子”的理论，即“宇宙蛋（Cosmic Egg）”假说，而不是“大爆炸”模型。勒梅特称，宇宙蛋“在创世的那一瞬间爆炸”，时间和空间的开端是“没有昨天的现在”。此时，哈勃已经公布了他的发现。经过长达十年的观测，他发现星系的红移程度与距离我们的远近成正比，这就证实了勒梅特的理论。 尽管如此，勒梅特的论文还是引起了轩然大波。其中一些人认为，他的宗教信仰才是他推进这个理论的真正动机，而该理论在创世的故事中给上帝留出了可供发挥的空间。1931年5月，勒梅特在《自然》杂志上发表了一篇文章，用以回应对他的研究工作的一些异议。请注意！他是用“世界”这个词来表示“宇宙”的： “如果世界是从一个量子开始的，那么时间和空间的概念在一开始的那个点上就完全没有任何意义；只有当*初的量子分裂出足够的数量后，它们才开始有意义。如果这个说法是正确的，那么世界的开端就在时间和空间的开端之前一点点。” 他的想法很快开始获得认可。1933年，勒梅特陪同爱因斯坦在美国加州举办巡回讲座。据说，在一次研讨会上听了勒梅特对这一理论的阐述之后，爱因斯坦宣称：“这是我听过zui美的、zui令人满意的对创世的解释。”不过，人们对爱因斯坦的这一评价也是有争议的。 【引力波冲浪】 在早期宇宙，水上运动实在算不上一个选择，因为那时氧元素还没有被制造出来，排除了水存在的可能性——但是伙计，谁也没说你不能在波上冲浪啊！ 爱因斯坦将宇宙看作由时空布料构成的“床单”，这一新视角带来的结论是，这块布料的扭曲变形就像质量集中造成的那样，可以在时空中产生波。想象一下，将一个保龄球从半空中投到一张蹦床上：波会持续地从撞击点向外扩散，就像池塘表面被扔进去了一颗鹅卵石那样。 这些在时空中传播的波叫作引力波（gravitational wave）。支持大爆炸暴胀模型的重要证据之一，就是探测到这些极其微弱但波长极其长的引力波。这种引力波的波长预计可达10亿光年。实际上，这些引力波本身太微弱了，无法被直接观测到，但是在不久的将来，对宇宙微波背景的高分辨率测绘可能会揭露这些波的印记。引力波的波长和产生引力波的物体的大小是相称的，而我们目前所预期的引力波，在宇宙中并没有能产生这种波长的物体。唯一说得过去的解释就是，它们是由早期宇宙的暴胀产生的。暴胀造成的时空急速膨胀以及现在宇宙的持续膨胀将这些引力波拉长，但在*初的10-36秒内这种波动是非常剧烈的，那些寻求刺激的冲浪爱好者估计会很喜欢！ 【未来：冻结、坍缩还是撕裂】 既然宇宙学家们现在已经知道了暗能量有多么重要，而且很明显，它将决定宇宙的命运。宇宙的终极命运将有三种可能的结局，这取决于暗能量在未来会发生什么。不幸的是，因为没有人知道暗能量是什么，所以我们无法确定哪个结局才是对的。 大冻结 如果暗能量一直保持不变，而宇宙继续加速膨胀，那么物质将会变得越来越分散，直至变成薄雾。熵持续增加，恒星将会死亡；而因为物质过于稀薄，新的恒星将无法继续形成。*终整个宇宙将冷却到接近绝对零度。因此，这种结局被称为“大冻结（Big Freeze）”。 大坍缩 然而，如果暗能量不是恒定的，那么未来它就有可能发生逆转，成为让宇宙收缩的引力，并使宇宙坍缩为一个点——这就是“大坍缩”。这种结局可能会导致另一场“大爆炸”，那样的话，宇宙将永远处于这二者的振荡之中。 大撕裂 如果未来这种由暗能量产生的、让宇宙膨胀的斥力增大了，那么总有一天它将会变得比引力更强大。在这种情况下，星系、恒星以及我们的星球*终都将被撕裂——这就是“大撕裂（Big Rip）”。暗能量甚至还可以克服作用于强子之间的强核力，导致原子被撕裂。*终导致“大撕裂”的结局。